數(shù)字病理切片簡(jiǎn)介及其在皮膚科的運(yùn)用

陳柳青

（湖北省武漢市第一醫(yī)院，武漢430022）

基于以玻璃切片和顯微鏡為代表的傳統(tǒng)病理學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了150 多年。近幾十年，圖像的數(shù)字化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展使得病理學(xué)數(shù)字化也應(yīng)運(yùn)而生。最早應(yīng)用于病理的是使用模擬式或數(shù)字式攝像頭進(jìn)行圖像采集、存儲(chǔ)和傳輸，即各種病理圖文系統(tǒng)，目前仍在病理的醫(yī)療、教學(xué)、科研各方面工作中運(yùn)用廣泛。攝像頭圖像采集作為數(shù)字化病理的初步嘗試相對(duì)傳統(tǒng)切片具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：可以顯示病理切片中的典型病變特點(diǎn)，占用較少的存儲(chǔ)空間便于存儲(chǔ)傳輸，可以繼續(xù)在數(shù)字圖像上進(jìn)行計(jì)算、圖像處理等。同時(shí)其也有諸多缺點(diǎn)：所采圖像幅面小，不能反映病變?nèi)?，圖像選擇中存在過(guò)多采圖者的主觀因素，可能遺漏更加重要的病變區(qū)域等。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，人們希望能把顯微鏡下看到的整張切片進(jìn)行數(shù)字化即“虛擬切片技術(shù)”，進(jìn)行電子文檔的存貯。打開圖文電子文檔，又可模擬顯微鏡下實(shí)際觀察圖像，并能進(jìn)行縮小、放大、移動(dòng)瀏覽。

1 數(shù)字病理切片系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字病理切片（Digital slide of pathology）又稱虛擬病理切片（Virtual slide of pathology）是一種現(xiàn)代數(shù)字與傳統(tǒng)光學(xué)放大裝置有機(jī)結(jié)合的技術(shù)，使傳統(tǒng)的病理切片脫離物象載體的表達(dá)方式，將傳統(tǒng)玻璃病理切片的物象信息無(wú)一遺漏地通過(guò)全自動(dòng)顯微鏡或光學(xué)放大系統(tǒng)掃描采集得到高分辨數(shù)字圖像，計(jì)算機(jī)對(duì)得到的圖像自動(dòng)進(jìn)行高精度多視野無(wú)縫隙拼接和處理，通過(guò)瀏覽器能方便地對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行4，10，20，40，100 倍物鏡倍率的改變顯示和任意方向移動(dòng)觀察。同時(shí)可以傳輸?shù)结t(yī)院的局域網(wǎng)上供多方瀏覽，將診斷依據(jù)全景圖像化、數(shù)字化和共享化。其誕生將傳統(tǒng)的病理切片應(yīng)用提高到了現(xiàn)代化的水平。使病理醫(yī)生在特殊需要下，不用通過(guò)顯微鏡就能完全模擬顯微鏡下的操作環(huán)境看到仿真的病理圖像，這對(duì)于異地專家閱片和攜帶數(shù)字切片教學(xué)會(huì)診提供了方便。也可以在遠(yuǎn)程會(huì)診中發(fā)送給專家下載瀏覽，這種優(yōu)質(zhì)的可視化數(shù)據(jù)已應(yīng)用于病理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)字病理切片系統(tǒng)的應(yīng)用最早始于1985 年[1]。虛擬切片技術(shù)有兩個(gè)發(fā)展方向：其一，基于自動(dòng)顯微鏡；其二，基于切片掃描儀。前者開發(fā)較早，關(guān)鍵部件為顯微鏡上的自動(dòng)載物臺(tái)，成像部件仍為數(shù)字式攝像頭，成像速度和質(zhì)量都不能令人滿意。后者的關(guān)鍵部件有自動(dòng)切片轉(zhuǎn)運(yùn)部件、高速線性或矩陣式數(shù)字成像部件等，在成像質(zhì)量和速度上都有了較大飛躍，可以成批快速掃描切片，近年來(lái)占據(jù)了世界上虛擬切片設(shè)備的主要市場(chǎng)份額。

虛擬切片的制作系統(tǒng)分為硬件和軟件兩大部分。硬件包括虛擬切片掃描儀和高級(jí)計(jì)算機(jī)(計(jì)算速度高，存儲(chǔ)容量大)，軟件就是專用的虛擬切片掃描系統(tǒng)和可以安裝在大多數(shù)計(jì)算機(jī)上的專有圖像瀏覽和編輯軟件。首先，利用數(shù)字顯微鏡或放大系統(tǒng)在低倍物鏡下對(duì)玻璃切片進(jìn)行逐幅掃描采集成像，顯微掃描平臺(tái)自動(dòng)按照切片XY 軸方向掃描移動(dòng)，并在Z 軸方向自動(dòng)聚焦。然后，由掃描控制軟件在光學(xué)放大裝置有效放大的基礎(chǔ)上利用程控掃描方式采集高分辨數(shù)字圖像，圖像壓縮與存儲(chǔ)軟件將圖像自動(dòng)進(jìn)行無(wú)縫拼接處理，制作產(chǎn)生整張全視野的數(shù)字化切片，再將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一定介質(zhì)中建立起數(shù)字病理切片庫(kù)。隨后可以利用相應(yīng)的數(shù)字玻片瀏覽系統(tǒng)，對(duì)一系列可視化數(shù)據(jù)進(jìn)行任意比例的放大或縮小，以及在任意方向移動(dòng)以瀏覽和分析處理，如同操作實(shí)物光學(xué)顯微鏡。目前我科應(yīng)用的日本濱松公司制作的NDP 虛擬切片掃描儀，大部分皮膚組織單幅切面在40 倍光學(xué)鏡頭下掃描只需約3 min左右。在掃描過(guò)程中可無(wú)需人工干預(yù)，從切片傳遞、選擇圖像區(qū)域、對(duì)焦、成像、文件合成等一系列操作完全由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成。而且，可以進(jìn)行多層切片掃描，形成三維虛擬切片，便于多層次、多截面觀察。NDP 專用的瀏覽軟件安裝操作非常方便。

2 數(shù)字病理切片系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的病理切片相比，數(shù)字病理切片系統(tǒng)具備許多無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

（1）易于保存與管理。利用超大容量的數(shù)字病理切片庫(kù)，保存珍貴的病理切片資源，解決不易儲(chǔ)存保管、易褪色、易損傷、易丟片掉片和切片檢索困難等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)同一張切片可在不同地點(diǎn)同時(shí)多人共同瀏覽[2]。

（2）方便瀏覽與傳輸。應(yīng)用者可隨時(shí)隨地對(duì)顯微切片的任何區(qū)域進(jìn)行不同放大倍率的瀏覽（2×、4×、10×、20×、40×、100×），資料傳輸不必受時(shí)間和空間的約束。瀏覽時(shí)為光學(xué)放大而非數(shù)碼放大，因此不存在圖像信息失真和細(xì)節(jié)不清的問(wèn)題，這與普通計(jì)算機(jī)圖片縮放只改變圖像大小而無(wú)法改變分辨率有本質(zhì)的區(qū)別。

（3）為教學(xué)與遠(yuǎn)程會(huì)診提供便利。該系統(tǒng)能在鼠標(biāo)操縱下選擇切片的任意位置完成無(wú)極變倍連續(xù)縮放瀏覽，并提供切片全景導(dǎo)航，使高倍鏡下的圖像和低倍鏡下的位置形成良好對(duì)應(yīng)，還能實(shí)現(xiàn)切片的定量分析和標(biāo)注等后期處理[3]。

（4）高速、高效，高通量。采用先進(jìn)技術(shù)的數(shù)字切片系統(tǒng)可達(dá)到高通量切片掃描，如日本濱松光子學(xué)株式會(huì)社的系統(tǒng)可一次性全自動(dòng)掃描210 張切片，大大提高了工作效率。

（5）進(jìn)一步提升分辨率和清晰度。在20×和40×模式下每像素均可達(dá)到0.2 μm 水平，并具備了圖像高保真的特點(diǎn)。

（6）實(shí)現(xiàn)了熒光切片的掃描。只需外加相應(yīng)的熒光光源和更換濾光鏡就能掃描熒光切片，克服了玻璃熒光切片易褪色、不宜長(zhǎng)久保存的缺點(diǎn)。

3 數(shù)字病理切片系統(tǒng)在皮膚科的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

數(shù)字病理切片系統(tǒng)可使病理資源數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了可視化數(shù)據(jù)的永久儲(chǔ)存和不受時(shí)空限制的同步瀏覽處理，國(guó)內(nèi)許多大型醫(yī)院的病理科和中心實(shí)驗(yàn)室也已建成數(shù)字切片庫(kù)，用于遠(yuǎn)程病理會(huì)診，并嘗試性地開展聯(lián)合診斷。皮膚科是最容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的專業(yè)，也是最適合開展遠(yuǎn)程醫(yī)療的專業(yè)之一，臨床皮損和組織病理切片的數(shù)字化將進(jìn)一步提高遠(yuǎn)程皮膚病醫(yī)療的準(zhǔn)確性和便利性。對(duì)于數(shù)字化切片與傳統(tǒng)玻璃切片在皮膚病理診斷的準(zhǔn)確性和一致性，相關(guān)研究顯示，二者具有高度的一致性和準(zhǔn)確率[4-5]。目前國(guó)內(nèi)皮膚科已有中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院皮膚病研究所、北京協(xié)和醫(yī)院、第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院、武漢市第一醫(yī)院等多家單位利用數(shù)字病理切片系統(tǒng)建立起數(shù)字病理庫(kù)。

數(shù)字病理切片在皮膚科的應(yīng)用范圍主要有：（1）皮膚病理的教學(xué)與考試，培訓(xùn)皮膚病理專科醫(yī)師；（2）皮膚病理讀片交流會(huì)議，全國(guó)皮膚病理年會(huì)從2011 年開始會(huì)議采用數(shù)字切片讀片，減少了每個(gè)供片單位切片的數(shù)量，并保證了讀片的質(zhì)量及所讀切片完全一致；（3）醫(yī)院和科室皮膚病理信息管理，解決了切片保存時(shí)間長(zhǎng)易出現(xiàn)褪色、破損等難題；（4）臨床上重大病例診斷中的遠(yuǎn)程會(huì)診與咨詢，虛擬切片技術(shù)簡(jiǎn)化了原來(lái)會(huì)診的程序，并且刻錄的數(shù)字切片圖像，不用歸還，不怕破碎，可同時(shí)多點(diǎn)進(jìn)行會(huì)診；（5）科研成果的分析與交流，避免原來(lái)的以點(diǎn)代面。數(shù)碼照相及其圖像處理技術(shù)的提高和照相范圍的局限，可以修飾和偽造肉眼無(wú)發(fā)區(qū)分的圖像，但虛擬切片以其細(xì)微的掃描，龐大的數(shù)據(jù)量，可觀察任何一處細(xì)微的改變，任何人工的痕跡在高倍下都會(huì)暴露出來(lái)，因此利用虛擬切片技術(shù)可以核實(shí)科研結(jié)果，避免以偏蓋全，以點(diǎn)代面，甚至暴露造假者。虛擬切片技術(shù)目前尚在不斷完善中，比如FISH、基因芯片、蛋白芯片的掃描等；（6）建立常規(guī)和疑難皮膚病例的可視化資源數(shù)據(jù)庫(kù)；（7）逐步建立圖像的標(biāo)準(zhǔn)化分析和統(tǒng)計(jì)分析、惡性病變的自動(dòng)粗篩等諸多工作中[6]。

4 對(duì)數(shù)字切片系統(tǒng)運(yùn)用的展望

數(shù)字切片系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)皮膚科運(yùn)用剛剛開始起步，要建立起更加科學(xué)完善的數(shù)字玻璃切片系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)庫(kù)，使其更加廣泛并迅速地發(fā)展起來(lái)，以達(dá)到國(guó)際先進(jìn)的水平，還需要對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行更深一步的挖掘和思考。（1）使數(shù)字玻璃切片系統(tǒng)由單機(jī)向聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)真正意義的共享。目前已被廣泛應(yīng)用的Motic、Aperio、Nanozoomer 等幾大數(shù)字切片系統(tǒng)分別以自身的系統(tǒng)運(yùn)行，分析和處理軟件的界面和工作平臺(tái)各不相同，圖片格式也不一致，故資源的共享僅限于同一種數(shù)字玻璃切片系統(tǒng)內(nèi)部，即狹義的共享。應(yīng)使不同供應(yīng)方的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化、網(wǎng)絡(luò)化、用戶化，圖片格式標(biāo)準(zhǔn)化，以網(wǎng)絡(luò)為橋梁，將可視化數(shù)據(jù)延伸到網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的任何一個(gè)場(chǎng)所，使所有用戶都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽并分析處理來(lái)自不同系統(tǒng)的可視化數(shù)據(jù)。（2）優(yōu)化備份和存儲(chǔ)。每一個(gè)儲(chǔ)存的數(shù)字病理圖像文件有數(shù)百M(fèi)b 乃至幾個(gè)Gb 之大，而系統(tǒng)的空間有限，為適應(yīng)數(shù)字化病理切片日益增長(zhǎng)的共享需求，就需要優(yōu)化備份和存儲(chǔ)技術(shù)。開發(fā)新的圖像壓縮技術(shù)，保證無(wú)損壓縮，既能大幅度地壓縮圖像，又能盡可能減少圖像信息的損失，不能損傷圖像的細(xì)節(jié)、比例、可縮放性、光度、色度等。此外還可開發(fā)容量更大、可靠性更好的存儲(chǔ)介質(zhì)，將這些可視化數(shù)據(jù)永久保存。（3）提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。數(shù)字玻璃切片系統(tǒng)采集到的可視化數(shù)據(jù)對(duì)分辨率要求較高，所占存儲(chǔ)空間巨大，在交互共享時(shí)由于受到圖像壓縮、計(jì)算機(jī)性能和網(wǎng)絡(luò)寬帶等多種因素的制約，可視化數(shù)據(jù)的傳輸速度不盡人意，數(shù)據(jù)傳輸速度也是目前國(guó)內(nèi)許多地區(qū)難以普及遠(yuǎn)程病理診斷的主要原因之一。因此提高可視化數(shù)據(jù)的傳輸速度勢(shì)在必行，尋求更加簡(jiǎn)便快捷的數(shù)據(jù)傳輸方式，以彌補(bǔ)當(dāng)前計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)所帶來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热毕?。?）完善數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索功能。滿足用戶不同的檢索需求，開發(fā)由圖像分析軟件自動(dòng)抽取圖像顏色、形狀、紋理等特征，建立特征索引庫(kù)，用戶只需將所查找圖像的大致特征描述出來(lái)，就可找出與之相近特征的圖像。

數(shù)字病理切片非常適合于開展廣泛的合作，將有利于整合中國(guó)皮膚病理的資源?？梢栽谌珖?guó)不同地域建立多個(gè)中心，建立中國(guó)的皮膚病臨床和病理資源庫(kù)，并建起一個(gè)統(tǒng)一的形態(tài)學(xué)數(shù)字切片網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，向國(guó)內(nèi)的注冊(cè)皮膚科醫(yī)師開放，為廣大皮膚科同仁提供一個(gè)開放的繼續(xù)培訓(xùn)平臺(tái)，也有利于更好地挖掘與應(yīng)用數(shù)字病理切片系統(tǒng)，為中國(guó)皮膚科的發(fā)展提供一個(gè)更加廣闊的平臺(tái)。

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